Smartmat碳点专刊文章合集：碳点在世界上闪闪发光

零四电弧一道闪，开拓碳点新纪元。

核壳结构显神奇，麻雀虽小五脏全。

材化生科医学关，荧光发射红到蓝。

催化位点亦分散，看我碳点身手展。

时至今日十八年，宏篇佳作逾万千。

垂盼同僚共克难，奇思妙想登智刊。

编辑寄语

碳点（CDs）是一类新兴的荧光纳米材料，由于其强发光、低毒性、水溶性、易于合成、高表面积以及可调节其光学特性，在生物医学和能源应用中引起了相当大的关注。然而，如此优异的性能和广泛的应用，必然是由于其独特的结构所致。CDs通常被认为是一种核壳结构，通常在碳核和聚合物壳之间没有清晰的边界，其结构中至少一个尺寸<10 nm。碳核通常可以包含多晶纳米域，其中包含被无定形域包围的微小碳簇，而聚合物表面赋予CDs特定性质。因此，传统的分类系统根据碳核和附着状态将CDs分为三大类：石墨烯量子点、碳量子点和碳化聚合物点，可以统一聚合物和量子点的优点。此外，由于CDs上丰富的官能团，它可以很容易地被多种分子、金属或基体修饰，从而赋予CDs一些定制的特性。例如，使用不同的聚合物包覆CDs可以控制它们的发射波长、亮度、寿命等。金属可以赋予CDs导电性和部分生物活性。在这方面，CDs已被转化为肿瘤杀手、高效电催化剂、电池和防伪材料。然而，还有一些尚未解决的挑战，例如阐明CDs的结构和光致发光机理。此外，除了追求材料合成和更好的性能外，各种研究方向都集中在扩大CDs的应用领域。CDs可能会继续吸引来自不同学科的研究人员，并为更广泛的科学界做出贡献。因此，我们想在本期特刊中展示这一类纳米材料的进展并讨论未来的发展。

本期特刊包含碳点各自研究领域的科学家的两篇综述和八篇研究论文，涵盖了基于CDs的有前景的应用。同时，我们想借此机会感谢为本期特刊做出贡献的杰出作者。

综述论文

1. 华南农业大学刘应亮，雷炳富，胡超凡：荧光碳点在作物中的作用：机理与应用

荧光碳点（CDs）因其优异的光学特性（例如光稳定性、可调谐发光范围和抗光漂白性）而在生物传感、成像、信息加密和光电器件中得到广泛研究。近年来，CDs已被探索用于农业，基于其光捕获和光转换能力，以及易于合成和低毒的特点，CDs在改善作物光合作用方面显示出巨大的潜力。此外，CDs还可以用于智能防伪包装、食品安全检测以及作物收获后的保存。本研究总结了具有优异光学性能的CDs在作物中的应用，包括收获前过程（光合作用和植物成像）和收获后过程（作物保存和食品安全），然后介绍了CDs对作物的毒性。 最后，讨论了当前的挑战和未来的前景。

标题：The role of fluorescent carbon dots in crops: Mechanism and applications

原文链接：https://doi.org/10.1002/smm2.1111

2. 北京工业大学孙再成：碳点作为新型抗菌剂的最新进展

由于 COVID-19 大流行，许多快速抗菌剂得到了密集开发。碳点（CDs）是一种新型的碳基纳米材料，由于其独特的光学特性、优异的生物相容性和易于表面修饰等优点，在对抗新出现的传染病和耐药性感染方面显示出巨大的潜力。随着CDs结构和性质的明确、合成和特性技术的改进，CDs作为抗菌剂的研究取得了重大进展。然而，缺乏高重复性和精确的制备方法，以及规律的抗菌活性使其远离实际应用。在这篇综述中，作者总结了CDs抗菌药物的最新进展和挑战。首先，概述了特性和性能，并进一步讨论了CDs应用于抗菌的优势。然后，重点介绍了不同条件下的抗菌机制、影响其抗菌活性的关键因素以及实际抗菌应用的研究进展。最后，提出了抗菌CDs的主要挑战和未来研究前景。

标题：Recent advances of carbon dots as new antimicrobial agents

原文链接：https://doi.org/10.1002/smm2.1131

研究论文

1. 郑州大学卢思宇，香港理工大学黄勃龙，加拿大John. S Tse院士：碳点稳定原子级钌和亚纳米级钌产生高效协同效应用于增强电化学析氢反应

目前，水分解中析氢反应（HER）最有效的电催化剂是铂基催化剂。不幸的是，高成本和不完美的效率阻碍了广泛的工业/技术应用。在这里，通过控制三（2,2-联吡啶）二氯化钌六水合物的处理温度，合成CDs支撑的Ru单/双原子（Ru S/DAs）与Ru纳米团簇（Ru S/DAs + Ru NCs）。这些化合物被证明是高效且具有竞争力的析氢催化剂。Ru S/DAs + Ru NCs 表现出非常高的活性，在1.0 mol/L KOH 和0.5 mol/L H2SO4 的电流密度为10 mA/cm2 时，过电位分别为15和40 mV。此外，发现复合材料具有出色的稳定性和快速的 HER 动力学。由密度泛函理论计算支持的 X 射线吸收精细结构分析表明，单原子 Ru 中的电荷重排，Ru 双位点促进了活性氢的吸附和复合。由于具有电活性的Ru 4d轨道，Ru S/DAs 和 Ru NCs 表现出高电活性。Ru NCs 的引入激活了碳载体，提供了高电子导电性以将电子从 Ru NCs 转移到 Ru S/DAs，并促进 HER 过程中的水离解。

标题：Engineering the synergistic effect of carbon dots-stabilized atomic and subnanometric ruthenium as highly efficient electrocatalysts for robust hydrogen evolution

原文链接：https://doi.org/10.1002/smm2.1067

2. 澳门大学曲松楠，江苏大学李奇军/谈静：碳点磷光最高效率48%：研磨诱导无定型-晶态相转变

无金属室温磷光（RTP）材料对许多应用具有重要意义；然而，它们通常表现出低效率和弱强度。本文报道了一种通过研磨诱导无定形到结晶转变从结晶热退火碳点（CDs）和硼酸（BA） 复合材料（g-t-CDs@BA）制备高效强 RTP 材料的新策略。非晶热退火CDs和BA复合材料 （t-CDs@BA）是按照热熔化和过冷路线制备的，其中CDs完全分散在熔融BA液体中，并在超低温后均匀冻结在非晶热退火BA基体中。冷却至室温。研磨处理后，研磨引起的断裂和碎裂促进了高能非晶态向低能结晶态的转变。结果，CDs均匀地原位嵌入BA晶体基质中。该方法可最大限度地均匀嵌入BA晶体中的CDs，减少非辐射衰减，并通过抑制CDs的自由振动促进系统间交叉，从而产生具有最高磷光量子产率（48%）的强RTP材料。值得注意的是，g-t-CDs@BA粉末的RTP强度足以照亮延迟时间超过9秒的物品。

标题：Ultra-strong phosphorescence with 48% quantum yield from grinding treated thermal annealed carbon dots and boric acid composite

原文链接：https://doi.org/10.1002/smm2.1075

3. 郑州大学单崇新、娄庆和郑州大学第一附属医院程哲：基于碳化聚合物点的近红外化学发光纳米凝胶用于免疫成像和肿瘤治疗

具有活性氧（ROS）成像和光动力治疗双重能力的碳纳米凝胶（CNG）已被设计为具有自组装化学发光碳化聚合物点（CPDs）。凭借高效的深红/近红外化学发光（CL）发射和独特的光动力能力，H2O2驱动的化学发光CNG通过组装聚合物偶联物和CL供体进一步设计，从而在动物炎症中实现体外和体内ROS生物成像能力模型和异种移植肿瘤的高性能疗法。从机制上讲，炎症部位或肿瘤微环境中产生的ROS可以在过草酸盐和H2O2的化学反应中触发化学引发的电子交换发光，从而实现体内CL成像。同时，部分激发态电子会转移到环境H2O或溶解氧中，进而导致I型和II型光化学ROS产生羟基自由基或单线态氧，赋予肿瘤细胞凋亡，从而实现癌症治疗。这些结果为设计用于生物成像和抗肿瘤剂的多功能纳米材料开辟了一条新途径。

标题：Near-infrared chemiluminescent carbon nanogels for oncology imaging and therapy

原文链接：https://doi.org/10.1002/smm2.1099

4. 中南大学纪效波、侯红帅团队：碳点用于超稳定固态电池

在固态锂电池的固体电解质中，聚合物电解质以其良好的界面接触和易于制备的特点而受到积极探索，但仍受到离子传输速度慢和锂离子迁移数低的限制。在此，功能性碳点基Li+导体（CD-Li）旨在提高Li+在聚环氧乙烷（PEO）电解质中的传输动力学和选择性。在CD-Li 基PEO复合电解质中成功地实现了高离子电导率（1.0 × 10−4 S/cm，25 °C）和Li+迁移数（0.60），这可归因于增强的链运动和有限的阴离子的运动。此外，CD-Li的单个阴离子体积大的特点可以提供更多的游离Li+。同时，得益于CD-Li中F原子的存在，原位构建的含LiF界面层有利于保持界面稳定性，促进锂离子的快速传输。具有CD-Li的复合电解质可以解决离子电导率问题，同时增强界面稳定性。独特的复合电解质实现了Li/LiFePO4和Li/LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2电池的稳定循环性能。多功能碳点填料的探索为复合电解质的高效开发提供了新思路。

标题：Carbon dots for ultrastable solid-state batteries

原文链接：https://doi.org/10.1002/smm2.1097

5. 南京大学朱俊杰，扬州大学吴晓歌：L-cys/Au@碳点/胆红素氧化酶层修饰的活微藻细胞用于增强无膜生物燃料电池中的氧还原

电化学氧还原反应（ORR）是清洁能源发展的关键要素。尽管努力增强气体向反应界面的转移，但O2分子的低溶解度和液体电解质中的缓慢扩散速率仍然是一个重大挑战。在此，作者在微藻细胞上设计了一种人工外膜，它由碳点/胆红素氧化酶（CDs/BOD）ORR催化剂层和 L-胱氨酸/Au 纳米多孔O2供应层组成。微藻细胞通过光合作用产生的O2可以直接输送到 CDs/BOD催化界面，克服了电解质中缓慢的气体转移。因此，由制造的微藻电池构成的阴极实现了655.2 μA/cm2的ORR电流密度，具有快速的ORR动力学，是纯O2馈电的BOD阴极的2.68倍。以混合人工电池为阴极进一步开发了无膜葡萄糖/O2生物燃料电池，在O2饱和溶液中功率密度是BOD阴极生物燃料电池的2.39倍。这种仿生设计通过纳米多孔 L-cys/Au层将O2从微藻膜直接供应到碳点/BOD 催化剂层，为电解质中O2的转移屏障提供了替代解决方案。

标题：Live microalgal cells modified by L-cys/Au@carbon dots/bilirubin oxidase layers for enhanced oxygen reduction in a membrane-less biofuel cell

原文链接：https://doi.org/10.1002/smm2.1100

6. 江南大学林恒伟，孙山：二茂铁-碳点交联纳米粒子用于肿瘤特异性光热放大的化学动力学治疗

广泛的研究致力于探索多功能癌症治疗剂，但肿瘤特异性差和治疗效果不理想是其临床转化的一些关键障碍。在此，二茂铁-碳点交联纳米粒子（Fc-CDs NPs）被设计和制造用于实现高度特异性和光热增强化学动力学治疗（CDT）。发现 Fc-CDs NPs 不仅继承了碳点（CDs）固有的荧光、光声和光热特性，而且由于Fc的存在而具有在肿瘤微环境（TME）中选择性发生的CDT特性，引发芬顿反应。此外，增大的Fc-CDs NPs粒径促进了它们在肿瘤部位的有效积累，从而实现了抗肿瘤治疗效果的极大改善。一旦与肿瘤对接并暴露于660 nm激光照射下，由于热加速活性氧（ROS）的产生，观察到Fc-CDs NPs的CDT效应显着增强。更有趣的是，由于产生的ROS反过来可以减轻光热疗法（PTT）的热阻，综合PTT和CDT的治疗效率得到最大程度的协同作用。该研究一方面提供了一种简便的方法来制造基于CDs 的多功能治疗诊断纳米平台，该平台具有增强的肿瘤积累和特异性，另一方面强调了协同互利治疗方式以实现更有效的癌症治疗的优点。

标题：Tumor-specific and photothermal-augmented chemodynamic therapy by ferrocene-carbon dot-crosslinked nanoparticles

原文链接：https://doi.org/10.1002/smm2.1119

7. 复旦大学熊焕明：以碳点构筑的凝胶电解质用于无枝晶、长循环的锂金属电池

具有极高能量密度的锂金属电池（LMB）在储能设备中具有多个优势。然而，枝晶的不受控制的生长和易燃的液体电解质（LEs）经常导致安全事故。所有固态电池似乎都是最终选择，但无溶剂电解质在室温下的导电性通常会失败。因此，具有简单制造工艺和高离子电导率的凝胶聚合物电解质（GPE）被认为是解决当前困难的最具竞争力的候选者。在此，作者通过聚乙二醇（PEG）和碳点（CDs）之间的酯化和酰胺化反应设计聚合物网络结构。加入聚偏二氟乙烯和一些LEs后，所制备的PEG-CDs复合电解质（PCCEs）在室温下表现出5.5 mS/cm 的高离子电导率和0.71的离子迁移数，以及良好的柔韧性和热稳定性。当PCCEs与锂金属负极和LiFePO4或LiCoO2正极组装时，这些LMB的循环稳定性和保持率在室温下均表现出优异的性能。

标题：Carbon dots crosslinked gel polymer electrolytes for dendrite-free and long-cycle lithium metal batteries

原文链接：https://doi.org/10.1002/smm2.1121

8. 吉林大学杨柏，郑州大学卢思宇：交联增强碳点的磷光发射

目前，人们强烈希望发现具有室温磷光（RTP）的替代材料，用于显示器、生物成像和数据安全。理想情况下，这些材料应该是无毒的、便宜的并且具有可控的光致发光特性。碳点（CDs）具有这些特征中的每一个，但迄今为止，对其RTP机制的关注较少。在此，作者选用易交联的乙二胺四乙酸四钠盐作为合成RTP CDs的前驱体。微波合成 RTP CD。随后，对CDs使用聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酰胺（PAM）和原硅酸四乙酯（TEOS）进行二次微波包覆。复合材料的QY和寿命大大提高，CDs@PVA 复合材料的QY和三重态寿命分别达到 55.49% 和0.75 s。原位XPS和理论计算结果表明，交联产生的丰富能级促进了聚合物和CDs之间的电荷转移，而不同的聚合物对CDs的交联程度也不同，交联程度越高，RTP性质越出色。这种简单的策略为指导进一步开发具有针对各种应用程序的定制RTP属性的CDs提供了灵活的途径。

标题：Cross-linking enhanced room-tempe****** phosphorescence of carbon dots

原文链接：https://doi.org/10.1002/smm2.1123

封面

前封面

钌基电催化剂作为铂基材料的替代品具有巨大潜力，可用于电解水析氢。在这项工作中，确定了钌单/双原子和Ru纳米团簇的独特双位机制，以增强单原子位点的稳定性并增强其内在活性。由于具有电活性的 Ru 4d 轨道，Ru S/DAs 和 Ru NCs 表现出高电活性。Ru NCs 的引入激活了碳载体，提供了高电子电导率以将电子从 Ru NCs 转移到 Ru S/DAs，并促进 HER 过程中的水离解。

背封面

具有 ROS成像和 PDT 双重能力的高度生物相容性和自发光碳纳米凝胶（CNG）已被设计成具有自组装化学发光碳化聚合物点（CPDs）。不同的CPDs来源于生物质材料并表现出类似聚合物的特性，使其能够通过亲水和疏水相互作用自组装成CNGs。凭借高效的深红/近红外(NIR) CL 射和独特的PDT容量，H2O2 驱动的水溶性化学发光碳纳米凝胶通过组装聚合物共轭物和CL供体进一步设计。从机制上讲，炎症部位产生的ROS可以触发CPDs和中间体之间的化学引发的电子交换发光，从而实现体外和体内C 成像。同时，化学发光CNGs在自发光下产生1O2、•OH和•-O2等可以有效诱导肿瘤细胞凋亡，从而抑制肿瘤生长，从而达到癌症治疗的目的

文献链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/toc/2688819x/2022/3/2

本文来源：碳点之光